CN102320558A - 全硅基微流体器件的腔体的制造方法 - Google Patents

全硅基微流体器件的腔体的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种全硅基微流体器件的腔体的制造方法，包括步骤：提供<111>晶向的单晶硅衬底，其上形成有氧化层；将氧化层图形化，露出多个正方形窗口图形；以氧化层为掩模，刻蚀硅衬底，形成上层深槽；在氧化层表面和上层深槽的侧壁及底部淀积保护层；将氧化层表面和上层深槽底部的保护层去除；以氧化层和上层深槽侧壁的保护层为掩模，刻蚀硅衬底，形成下层深槽；湿法刻蚀下层深槽，在硅衬底内部形成腔体；将上层深槽的孔洞填满，将腔体封闭；以氧化层为掩模，刻蚀硅衬底，形成四个与腔体连通的反应池。本发明形成腔体的过程中基于单片硅衬底本身进行加工，通过先分层形成底部腔体后填充深槽的方式，不涉及硅键合或胶粘合技术即可形成腔体。

Description

全硅基微流体器件的腔体的制造方法
技术领域
本发明涉及生物传感器/半导体微纳米制造技术领域，具体来说，本发明涉及一种全硅基微流体器件的腔体的制造方法。
背景技术
微流体器件在生物医学中得到广泛的应用，特别是生物医疗器材的精密制造和制药工业中，如化学分析、生物和化学检测、药物输送、分子分离(比如DNA分析)、扩增、排序或者核酸合成，以及环境监控等[Kovacs 1998]。
在常用的生物微流量传感器制造过程中，通常是在硅片表面进行体硅腐蚀，形成二分之一的腔体，然后将两部分腔体进行胶粘合或者用硅/玻璃等材料与形成腔体的硅片进行键合，从而形成封闭的槽体管道，用于液体流动的通道。此类方法涉及到键合及粘合工艺，芯片面积占用大，成本较高，工艺较为复杂，有可能引入沾污Na、K离子，不利于大规模生产中可靠性的提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种全硅基微流体器件的腔体的制造方法，不涉及键合或粘合工艺即可形成封闭腔体。
为解决上述技术问题，本发明提供一种全硅基微流体器件的腔体的制造方法，包括步骤：
提供<111>晶向的单晶硅衬底，其上形成有氧化层；
采用光刻图形化技术及干法刻蚀技术将所述氧化层图形化，在所述单晶硅衬底表面露出所需要的多个正方形窗口图形；
以图形化的所述氧化层为掩模，透过所述窗口图形刻蚀所述单晶硅衬底，形成多个上层深槽；
在所述氧化层表面和多个所述上层深槽的侧壁及底部淀积保护层；
采用干法刻蚀技术将所述氧化层表面和所述上层深槽底部的所述保护层去除，露出所述上层深槽底部的所述单晶硅衬底；
以图形化的所述氧化层和所述上层深槽侧壁的所述保护层为掩模，继续刻蚀所述单晶硅衬底，形成多个下层深槽；
采用湿法刻蚀法刻蚀所述下层深槽，在所述单晶硅衬底内部形成腔体；
应用填充材料将多个所述上层深槽的孔洞填满，将所述腔体封闭，所述填充材料还覆盖到所述氧化层表面；
采用光刻图形化技术及干法刻蚀技术将所述填充材料和所述氧化层图形化，留出四个反应池的位置；
以图形化的所述氧化层为掩模，刻蚀所述单晶硅衬底，形成四个反应池，所述反应池与所述腔体连通。
可选地，所述氧化层的厚度为3000～8000
Figure BDA0000090836320000021
可选地，所述氧化层的厚度是根据所述上层深槽和所述下层深槽的设计深度及刻蚀机台的选择比而确定的。
可选地，所述窗口图形的边长为2～6μm。
可选地，所述上层深槽的刻蚀方法为深反应离子刻蚀法。
可选地，所述上层深槽的深度为5～20μm。
可选地，所述保护层的厚度为4000～6000
Figure BDA0000090836320000022
可选地，所述下层深槽的刻蚀方法为深反应离子刻蚀法。
可选地，所述下层深槽的深度为10～30μm。
可选地，所述湿法刻蚀的溶液为KOH或者TMAH溶液。
可选地，所述填充材料为低应力多晶硅。
可选地，覆盖到所述氧化层表面的多晶硅的厚度为2～5μm。
可选地，所述多晶硅的应力为-30MPa。
可选地，所述反应池的刻蚀方法为深反应离子刻蚀法。
可选地，所述反应池的深度为所述上层深槽和所述腔体的深度之和。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明形成腔体的过程中基于单片硅片本身进行工艺加工，通过先分层形成底部腔体后填充上部分深槽的方式，不涉及硅键合或胶粘合技术即可形成腔体，来组成微流体器件的毛细管道网络。
本发明能够将整个分析系统及信号处理电路在一块单独的芯片集成，节省了芯片面积，降低了工艺难度，在进行大批量生产时能够降低成本，提高可靠性等。
上述的全硅基微流体器件腔体可用于任意生物传感器中毛细管道网络的液体成分及含量的探测应用中。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为本发明一个实施例的全硅基微流体器件的腔体的制造方法的流程图；
图2至图15为本发明一个实施例的全硅基微流体器件的腔体的制造过程的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述地其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
图1为本发明一个实施例的全硅基微流体器件的腔体的制造方法的流程图。如图所示，该方法流程可以包括：
执行步骤S101，提供<111>晶向的单晶硅衬底，其上形成有氧化层；
执行步骤S102，采用光刻图形化技术及干法刻蚀技术将氧化层图形化，在单晶硅衬底表面露出所需要的多个正方形窗口图形；
执行步骤S103，以图形化的氧化层为掩模，透过窗口图形刻蚀单晶硅衬底，形成多个上层深槽；
执行步骤S104，在氧化层表面和多个上层深槽的侧壁及底部淀积保护层；
执行步骤S105，采用干法刻蚀技术将氧化层表面和上层深槽底部的保护层去除，露出上层深槽底部的单晶硅衬底；
执行步骤S106，以图形化的氧化层和上层深槽侧壁的保护层为掩模，继续刻蚀单晶硅衬底，形成多个下层深槽；
执行步骤S107，采用湿法刻蚀法刻蚀下层深槽，在单晶硅衬底内部形成腔体；
执行步骤S108，应用填充材料将多个上层深槽的孔洞填满，将腔体封闭，填充材料还覆盖到氧化层表面；
执行步骤S109，采用光刻图形化技术及干法刻蚀技术将填充材料和氧化层图形化，留出四个反应池的位置；
执行步骤S110，以图形化的氧化层为掩模，刻蚀单晶硅衬底，形成四个反应池，反应池与腔体连通。
图2至图15为本发明一个实施例的全硅基微流体器件的腔体的制造过程的剖面结构示意图。需要注意的是，这些附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
如图2所示，提供<111>晶向的单晶硅衬底001，该单晶硅衬底001上形成有一层氧化层002。该氧化层002的厚度可以为3000～8000
Figure BDA0000090836320000041
作为后续首次深槽刻蚀的掩模。其中，氧化层002的厚度可以是根据下述上层深槽004和下层深槽007的设计深度及刻蚀机台的选择比而确定的。
如图3所示，采用光刻图形化技术及干法刻蚀技术将氧化层002图形化，在单晶硅衬底001表面露出所需要的多个正方形窗口图形003，该窗口图形003的边长可以在2～6μm之间选择。图4为图3所示结构的俯视图，图3为图4所示结构中沿着A-A’线的剖面图。
如图5所示，采用例如深反应离子刻蚀法(DRIE)以图形化的氧化层002为掩模，透过窗口图形003刻蚀单晶硅衬底001，在单晶硅衬底001中形成多个上层深槽004。该上层深槽004的深度可以为5～20μm。
如图6所示，采用例如PECVD方法在氧化层002表面和多个上层深槽004的侧壁及底部淀积保护层005。该保护层005的材料可以为TEOS，其厚度可以为4000～6000事实上，即便在在氧化层002表面淀积的保护层005的厚度达6000由于上层深槽004的孔洞大小的限制，实际在上层深槽004的侧壁及底部淀积的保护层005一般也就在4000
Figure BDA0000090836320000044
左右。
如图7所示，采用干法刻蚀技术将氧化层002表面和上层深槽004底部的保护层005去除，露出上层深槽004底部的单晶硅衬底001，以便下一道工艺中硅深槽刻蚀的进行。
如图8所示，采用例如深反应离子刻蚀法(DRIE)以图形化的氧化层002和上层深槽004侧壁的保护层005为掩模，继续刻蚀单晶硅衬底001，形成多个下层深槽007。该下层深槽007的深度可以为10～30μm。
如图9所示，采用湿法刻蚀法刻蚀下层深槽007，在单晶硅衬底001内部形成腔体008。在本实施例中，该湿法刻蚀的溶液可以为KOH或者TMAH溶液。由于上层深槽004有保护层005保护，因此各向异性腐蚀过程只在下层深槽007部分进行。腐蚀速率在垂直单晶硅衬底001表面方向<111>晶向上基本为零，仅在其它两个方向进行，因此可得到按版图所设计的腔体008。图10为图9所示结构中沿着B-B’线的俯视图，图9为图10所示结构的剖面图。其中，单晶硅衬底001平边方向平行于X轴，三条沿Y轴方向的沟槽008’的宽度和长度仅与设计版图的数值有关，一条沿X轴方向的沟槽008’的长度仅与设计版图的数值有关，其宽度可通过控制腐蚀时间来调整。其中，X、Y方向的沟槽数量可根据设计要求来调整(可以是上千条)，沟槽008’的宽度一般为30～50μm，长度一般为1mm～5cm，形成微流体器件中毛细管道网络部分。
如图11所示，形成毛细管道网络部分之后，应用填充材料009将多个上层深槽004的孔洞填满，将腔体008封闭。该填充材料009可以为低应力多晶硅。具体地，采用LPCVD方法淀积一层2μm～5μm的多晶硅，并且在1000℃下退火1小时，得到多晶硅的应力在-30MPa左右，可将正方形窗口图形003充分填充，形成封闭的腔体008。在填充过程中，填充材料009覆盖到氧化层002表面。
如图12至图15所示，采用光刻图形化技术及干法刻蚀技术(RIE)将填充材料009和氧化层002图形化，在单晶硅衬底001上刻蚀出反应池的窗口图形(未图示)，留出四个反应池010、011、012、013的位置。然后采用例如深反应离子刻蚀法(DRIE)以图形化的氧化层002为掩模，刻蚀单晶硅衬底001，形成四个反应池010、011、012、013，反应池010、011、012、013与上一道工艺中形成的腔体008连通，深度为上层深槽004和腔体008的深度之和。图13为图12所示结构中沿着C-C’线的俯视图，可以看出四个反应池与外界接触；图14为图12所示结构中沿着D-D’线的俯视图，图15为图12所示结构中沿着E-E’线的俯视图。
在图15中，反应池010、011与其之间的腔体008通道部分组成微流体器件的注射管道，可供待分离和测量的液体分析物通过；反应池012、013和其之间的腔体008通道部分组成微流体器件的分离管道，可供液体分析物进行分离。当在反应池010和011之间施加一定数值的外加电场时，待测液体分析物从反应池010流向反应池011，然后在反应池012和反应池013之间施加一定数值的外加电场，在横向和纵向管道交叉口处的液体分析物开始在反应池012、013之间的分离管道中移动，在此过程中，液体分析物中的不同成分按照各自不同的离子以不同速度流动，从而被分离开来，进行鉴定分析。
本发明在形成腔体的过程中基于单片硅片本身进行工艺加工，通过先分层形成底部腔体后填充上部分深槽的方式，不涉及硅键合或胶粘合技术即可形成腔体，来组成生物微流体器件的毛细管道网络，作为液体流动及分离的通道，在任意生物医学传感器中可用于液体成分及含量的探测应用。
本发明能够将整个分析系统及信号处理电路在一块单独的芯片集成，节省了芯片面积，降低了工艺难度，在进行大批量生产时能够降低成本，提高可靠性等优点。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种全硅基微流体器件的腔体的制造方法，包括步骤：
提供<111>晶向的单晶硅衬底(001)，其上形成有氧化层(002)；
采用光刻图形化技术及干法刻蚀技术将所述氧化层(002)图形化，在所述单晶硅衬底(001)表面露出所需要的多个正方形窗口图形(003)；
以图形化的所述氧化层(002)为掩模，透过所述窗口图形(003)刻蚀所述单晶硅衬底(001)，形成多个上层深槽(004)；
在所述氧化层(002)表面和多个所述上层深槽(004)的侧壁及底部淀积保护层(005)；
采用干法刻蚀技术将所述氧化层(002)表面和所述上层深槽(004)底部的所述保护层(005)去除，露出所述上层深槽(004)底部的所述单晶硅衬底(001)；
以图形化的所述氧化层(002)和所述上层深槽(004)侧壁的所述保护层(005)为掩模，继续刻蚀所述单晶硅衬底(001)，形成多个下层深槽(007)；
采用湿法刻蚀法刻蚀所述下层深槽(007)，在所述单晶硅衬底(001)内部形成腔体(008)；
应用填充材料(009)将多个所述上层深槽(004)的孔洞填满，将所述腔体(008)封闭，所述填充材料(009)还覆盖到所述氧化层(002)表面；
采用光刻图形化技术及干法刻蚀技术将所述填充材料(009)和所述氧化层(002)图形化，留出四个反应池(010、011、012、013)的位置；
以图形化的所述氧化层(002)为掩模，刻蚀所述单晶硅衬底(001)，形成四个反应池(010、011、012、013)，所述反应池(010、011、012、013)与所述腔体(008)连通。
2.根据权利要求1所述的腔体的制造方法，其特征在于，所述氧化层(002)的厚度为3000～8000
3.根据权利要求2所述的腔体的制造方法，其特征在于，所述氧化层(002)的厚度是根据所述上层深槽(004)和所述下层深槽(007)的设计深度及刻蚀机台的选择比而确定的。
4.根据权利要求1所述的腔体的制造方法，其特征在于，所述窗口图形(003)的边长为2～6μm。
5.根据权利要求1所述的腔体的制造方法，其特征在于，所述上层深槽(004)的刻蚀方法为深反应离子刻蚀法。
6.根据权利要求5所述的腔体的制造方法，其特征在于，所述上层深槽(004)的深度为5～20μm。
7.根据权利要求1所述的腔体的制造方法，其特征在于，所述保护层(005)的厚度为4000～6000
Figure FDA0000090836310000021
8.根据权利要求1所述的腔体的制造方法，其特征在于，所述下层深槽(007)的刻蚀方法为深反应离子刻蚀法。
9.根据权利要求8所述的腔体的制造方法，其特征在于，所述下层深槽(007)的深度为10～30μm。
10.根据权利要求1所述的腔体的制造方法，其特征在于，所述湿法刻蚀的溶液为KOH或者TMAH溶液。
11.根据权利要求1所述的腔体的制造方法，其特征在于，所述填充材料(009)为低应力多晶硅。
12.根据权利要求11所述的腔体的制造方法，其特征在于，覆盖到所述氧化层(002)表面的多晶硅的厚度为2～5μm。
13.根据权利要求12所述的腔体的制造方法，其特征在于，所述多晶硅的应力为-30MPa。
14.根据权利要求1所述的腔体的制造方法，其特征在于，所述反应池(010、011、012、013)的刻蚀方法为深反应离子刻蚀法。
15.根据权利要求14所述的腔体的制造方法，其特征在于，所述反应池(010、011、012、013)的深度为所述上层深槽(004)和所述腔体(008)的深度之和。
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